李虎,張康,劉浩,楊傳良
(1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南250000;2.青島泰科軌道車輛科技有限公司,山東 青島266000)
地鐵是現(xiàn)代化城市交通系統(tǒng)的重要組成部分。我國南方大部分地區(qū)及北方小部分地區(qū)的夏季氣候受熱帶和亞熱帶氣團(tuán)控制,降水集中且發(fā)生時(shí)間較短,往往在4~5 h內(nèi)產(chǎn)生洪峰,留予地鐵防洪準(zhǔn)備的時(shí)間少,導(dǎo)致地鐵站出現(xiàn)水淹危害。地鐵防洪作為確保地鐵安全運(yùn)營的措施,應(yīng)作為地鐵設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營管理的重點(diǎn)之一[1-4]。地鐵出入口是車站防淹的重點(diǎn)和難點(diǎn),在運(yùn)營階段雖然有天氣預(yù)警,但為了方便乘客,往往不能提前封堵車站的出入口,險(xiǎn)情來臨之際,出入口的封堵量比較大、封堵措施便捷度不高,極易造成水淹出入口。地鐵出入口防淹門是防止地鐵站水淹的有效措施。該系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成,在不影響地鐵出入口美觀的同時(shí)兼具可靠度高、反應(yīng)速度快、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。目前,在我國上海、廣州、武漢等城市的地鐵工程中,設(shè)置防淹門系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例較多[3]。
防淹門機(jī)械部分主要由閘門、液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備、鎖定裝置及密封系統(tǒng)等部件組成。
常見防淹門的閘門結(jié)構(gòu)形式可分為平開式和垂直式兩種[5-6]。平開式閘門分為一扇門(一字門)和兩扇門(人字門)兩種結(jié)構(gòu),閘門啟閉采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)或螺桿傳動(dòng)繞門軸旋轉(zhuǎn)的形式,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不受地鐵站臺(tái)高度限制,缺點(diǎn)是工程造價(jià)高、門體重、密封性差。垂直式閘門(又叫升降式閘門)門體為單扇,采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)控制門體升降,其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單可靠、工程造價(jià)低、密封性好,缺點(diǎn)是閘門上方需要較大空間。
基于防淹門成本及密封性能等需求,并為了解決垂直式防淹門對(duì)空間的適應(yīng)性問題,本文設(shè)計(jì)了一種地鐵出入口垂直式防淹門,其機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示。由圖1知,該防淹門基體置于地面以下,避免了傳統(tǒng)防淹門占用地鐵站臺(tái)上部空間的問題。閘門外殼結(jié)構(gòu)采用SUS304不銹鋼,內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)采用Q235鋼,Q235鋼框架表面進(jìn)行磷化鍍鋅處理,防止液體銹蝕。閘門與防淹門地面設(shè)施之間采用密封膠條密封,防止防淹門門框內(nèi)部滲水。
圖1 防淹門機(jī)械系統(tǒng)
液壓?jiǎn)㈤]裝置具有具有反應(yīng)快、功率重量比小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[7]。液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備為液壓油缸、電機(jī)、活塞桿、電磁閥及電控元件組成的電液私服系統(tǒng),該系統(tǒng)電機(jī)額定功率為2.2 kW,液壓泵系統(tǒng)流量13 L/min,額定壓力80 bar。電機(jī)輸出機(jī)械能通過液壓泵轉(zhuǎn)化成液壓油的壓力能,液壓油經(jīng)過液壓管道、液壓閥進(jìn)入液壓缸,通過液壓缸活塞桿的伸縮驅(qū)動(dòng)閘門啟閉、鎖定、松開等動(dòng)作。防淹門液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)配置了三個(gè)液壓油缸,升降油缸作用于活塞桿上的力可控制閘門在閘門導(dǎo)軌范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng),兩個(gè)鎖緊油缸分別控制防淹門的橫向和縱向鎖緊及松開動(dòng)作。
防淹門控制系統(tǒng)由水位監(jiān)視系統(tǒng)、主控制箱、控制手柄、觸摸屏、可編程控制器(PLC)以及傳感器等元件組成。PLC是防淹門動(dòng)作控制的核心技術(shù),該技術(shù)以其可靠性、靈活性在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[8]。
地鐵防淹門的監(jiān)視系統(tǒng)負(fù)責(zé)地鐵出入口水淹險(xiǎn)情的預(yù)警工作,該系統(tǒng)由中央監(jiān)視系統(tǒng)、站臺(tái)控制室和地鐵出入口現(xiàn)場(chǎng)三級(jí)監(jiān)視系統(tǒng)組成。地鐵中央監(jiān)視系統(tǒng)、站臺(tái)控制室與地鐵站出入口的水位探測(cè)器相連,水位探測(cè)器發(fā)現(xiàn)地鐵出入口存在進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)時(shí),將信號(hào)同時(shí)傳輸至三級(jí)監(jiān)視系統(tǒng)的報(bào)警裝置,實(shí)現(xiàn)中央、車站和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地鐵水淹風(fēng)險(xiǎn)的同步監(jiān)視,如圖2所示。中央監(jiān)視系統(tǒng)、站臺(tái)控制室可實(shí)時(shí)顯示水位、門體狀態(tài)(啟門、閉門)等信息,并監(jiān)測(cè)防淹門系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。
圖2 防淹門監(jiān)視系統(tǒng)組成
防淹門設(shè)置站臺(tái)控制室和地鐵出入口現(xiàn)場(chǎng)二級(jí)控制系統(tǒng),地鐵站臺(tái)控制室和地鐵出入口均可實(shí)現(xiàn)防淹門啟閉控制。防淹門控制系統(tǒng)如圖3所示,可知,當(dāng)?shù)罔F出入口存在水淹風(fēng)險(xiǎn)時(shí),站臺(tái)控制中心可通過觸摸屏直接向防淹門主控制箱內(nèi)的PLC發(fā)送啟閉信號(hào),實(shí)現(xiàn)防淹門的啟閉功能。地鐵出入口現(xiàn)場(chǎng)可通過控制手柄啟閉防淹門。
圖3 防淹門控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
主控制箱發(fā)出上升信號(hào)時(shí),油泵鎖緊油缸卸載,升降油缸啟動(dòng),升降閥組控制閘門上升,位移傳感器檢測(cè)閘門的位置,閘門上升到設(shè)定位置后停止上升。主控制箱發(fā)出鎖緊信號(hào)時(shí),油泵鎖緊油缸啟動(dòng),橫向壓緊閥組、豎向壓緊閥組執(zhí)行壓緊動(dòng)作,壓緊力傳感器到達(dá)預(yù)設(shè)壓緊力時(shí),油泵鎖緊油缸關(guān)閉,防淹門系統(tǒng)上升動(dòng)作完成。反之,主控制箱收到下降信號(hào)時(shí),液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)控制閘門松開及下降,下降到設(shè)定位置后鎖定閘門,完成防淹門下降動(dòng)作。此外,防淹門系統(tǒng)設(shè)置了極限位置傳感器,位置傳感器置于防淹門閘門導(dǎo)軌內(nèi)部,可根據(jù)實(shí)際需要固定位置傳感器的位置,當(dāng)位置傳感器探測(cè)到閘門處于極限位置時(shí),限位報(bào)警裝置啟動(dòng)。
控制手柄和觸摸屏的功能基本相似,均可以實(shí)現(xiàn)防淹門的升降及鎖定控制。區(qū)別是控制手柄有自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式,兩種模式通過轉(zhuǎn)換旋鈕切換,而觸摸屏僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制??刂剖直氖謩?dòng)模式僅用于防淹門PLC控制系統(tǒng)單體調(diào)試過程。防淹門使用過程中,控制手柄、觸摸屏處于自動(dòng)模式,需要開啟或關(guān)閉防淹門時(shí),直接點(diǎn)擊上升或下降開關(guān),防淹門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟閉??刂剖直O(shè)有緊急制動(dòng)開關(guān),觸摸屏設(shè)有緊急制動(dòng)按鈕,緊急狀態(tài)下可隨時(shí)停止防淹門的任意動(dòng)作。
防淹門安裝時(shí),預(yù)先對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行編程,編程內(nèi)容包括防淹門的急停、上升、下降、鎖定、限位等程序。防淹門PLC控制系統(tǒng)主要包括單體調(diào)試和綜合聯(lián)調(diào)兩種工作模式,單體調(diào)試時(shí)需使用控制手柄的手動(dòng)模式,綜合聯(lián)調(diào)可通過控制手柄或觸摸屏的自動(dòng)模式完成。單體調(diào)試模式主要用于檢修和調(diào)試,綜合聯(lián)調(diào)模式是在系統(tǒng)平時(shí)運(yùn)行時(shí)使用。PLC的工作原理的程序框圖如圖4所示。
圖4 防淹門PLC原理程序框圖
單體調(diào)試時(shí),通過控制手柄切換至手動(dòng)模式??刂剖直刂埔簤河捅玫膯?dòng)、停止動(dòng)作,此時(shí)地鐵站臺(tái)控制室防淹門控制系統(tǒng)觸摸屏處于鎖定狀態(tài)。防淹門升降單體調(diào)試過程為:控制手柄發(fā)出上升信號(hào),液壓升降油缸驅(qū)動(dòng)閘門上升,到達(dá)預(yù)定位置后停止,反之,控制手柄發(fā)出下降信號(hào),液壓系統(tǒng)卸載,到達(dá)預(yù)定位置后停止。防淹門系統(tǒng)中閘門的橫向及縱向鎖緊單體調(diào)試原理相同,防淹門鎖緊單體調(diào)試過程為:控制手柄發(fā)出鎖緊壓緊信號(hào),液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鎖定裝置,到達(dá)設(shè)定壓力后停止,反之,控制手柄發(fā)出鎖緊松開信號(hào),液壓系統(tǒng)卸載,到達(dá)設(shè)定壓力后停止。
綜合聯(lián)調(diào)時(shí),通過控制手柄切換至自動(dòng)模式??刂剖直蛘哂|摸屏點(diǎn)擊上升按鈕,PLC控制程序檢測(cè)橫向鎖緊和豎向鎖緊是否松開到位,如果松到位則執(zhí)行閘門上升動(dòng)作,如果鎖緊裝置未松開,先將鎖緊裝置松開到位,再執(zhí)行閘門上升動(dòng)作。閘門上升過程中松開控制手柄按鈕或到達(dá)閘門上限位置,系統(tǒng)自動(dòng)停止執(zhí)行閘門上升動(dòng)作,啟動(dòng)橫向鎖緊和豎向鎖緊,到達(dá)壓力設(shè)定值后鎖緊停止??刂剖直蛴|摸屏點(diǎn)擊下降按鈕,PLC控制程序檢測(cè)橫向鎖緊和豎向鎖緊是否松開到位,如果松開到位則執(zhí)行閘門下降動(dòng)作,如果鎖緊裝置未松開,先將鎖緊裝置松開到位,再執(zhí)行閘門下降動(dòng)作,閘門下降高度滿足鎖緊條件時(shí),啟動(dòng)橫向鎖緊和豎向鎖緊,到達(dá)壓力設(shè)定值后鎖緊停止。
根據(jù)防淹門的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),閘門外殼結(jié)構(gòu)采用SUS304不銹鋼,內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)采用Q235鋼,外殼結(jié)構(gòu)厚度及強(qiáng)度遠(yuǎn)低于內(nèi)部框架結(jié)構(gòu),實(shí)際應(yīng)用過程中,閘門外殼失效則防淹門系統(tǒng)破壞,因此,仿真計(jì)算時(shí),簡(jiǎn)化仿真對(duì)象為SUS304不銹鋼材質(zhì)。對(duì)防淹門模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析,主要分析在靜態(tài)水壓工況和動(dòng)態(tài)水壓工況下防淹門結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度是否滿足要求。
針對(duì)防淹門設(shè)計(jì)的幾何模型進(jìn)行有限元分析,如圖5所示。
SUS304不銹鋼材料的力學(xué)性能如表1所示。由材料密度及體積求得防淹門總質(zhì)量為1288 kg,通過底部與兩側(cè)的8個(gè)凸臺(tái)固定。有限元模型按圖5(a)所示坐標(biāo)系設(shè)定方向:X、Z為軸平行于防淹門的迎水面;Y為軸垂直于防淹門的迎水面。
表1 有限元分析采用的SUS304材料屬性
前處理軟件、求解器和后處理軟件分別為HYPERMESH、OPTISTRUCT及HYPERVIEW。為便于有限元分析,對(duì)原模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。有限元模型采用二維殼單元,主體結(jié)構(gòu)的單元平均尺寸為10 mm。假設(shè)防淹門材料均勻一致、線彈性不變,不考慮溫度影響。
采用HYPERMESH對(duì)防淹門結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,主要采用殼單元模擬主體板殼結(jié)構(gòu),整個(gè)模型包括225628個(gè)單元、228884個(gè)節(jié)點(diǎn)。詳細(xì)有限元結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖5(b)所示,模型中的焊接結(jié)構(gòu)采用剛性單元模擬連接。根據(jù)防淹門運(yùn)行過程中的實(shí)際情況約束防淹門安裝處的所有自由度,如圖5(c)所示。
圖5 防淹門仿真計(jì)算過程
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,計(jì)算兩種靜強(qiáng)度載荷工況。工況1是靜態(tài)水壓工況,水深1 m、寬6 m。工況2是水流速為4 m/s的動(dòng)態(tài)水壓工況,根據(jù)伯努力原理計(jì)算出迎水面承載8 kPa的水壓。具體如表2所示。
通過有限元分析得到各工況下產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布,防淹門結(jié)構(gòu)中使用的均為塑性材料,本次有限元結(jié)構(gòu)分析中,防淹門的安全系數(shù)為2,則材料的許用應(yīng)力如表3所示。
表3 SUS304材料許用強(qiáng)度
選取第四強(qiáng)度理論進(jìn)行評(píng)估,有:
式中:σequivalent為等效應(yīng)力(von Mises stress),MPa;iσ為三個(gè)方向的主應(yīng)力,MPa。
根據(jù)結(jié)構(gòu)中所使用材料的屈服強(qiáng)度,得:
式中:UF為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度利用系數(shù);σallowable為材料許用強(qiáng)度,MPa。
根據(jù)母材靜強(qiáng)度評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)防淹門結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估,要求UF≤1.0。
由表4、圖6、圖7可以看出,兩種工況下,SUS304材料的最大靜強(qiáng)度利用系數(shù)都小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.0,滿足結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的要求。
圖6 工況1下SUS304防淹門仿真計(jì)算云圖
圖7 工況2下SUS304防淹門仿真計(jì)算云圖
表4 SUS304防淹門靜強(qiáng)度工況下母材強(qiáng)度結(jié)果匯總表
防淹門系統(tǒng)必須通過單體調(diào)試和綜合聯(lián)調(diào)以驗(yàn)證其控制功能、監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9-10]。為了驗(yàn)證地鐵出入口防淹門的制造質(zhì)量和技術(shù)性能是否符合設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了防淹門動(dòng)作順序試驗(yàn)和防淹門密封試驗(yàn)。
根據(jù)操作流程,對(duì)防淹門動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試,如圖8所示。測(cè)試內(nèi)容包括:升降動(dòng)作,即防淹門是否能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成升降動(dòng)作,往復(fù)測(cè)試10次以上,動(dòng)作完成正常,無異常報(bào)警;鎖緊動(dòng)作,門體升降過程中,在任意位置停車后,門體自動(dòng)鎖緊,負(fù)載測(cè)試無松動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明:此項(xiàng)目設(shè)計(jì)的防淹門啟閉裝置動(dòng)作靈敏、無噪聲、無卡頓,重復(fù)啟閉穩(wěn)定性優(yōu)良。
圖8 防淹門動(dòng)作順序試驗(yàn)
為檢驗(yàn)防淹門的防水性能,展開密封試驗(yàn)。將防淹門升起后鎖緊,蓄水槽加注水800 mm后,進(jìn)行靜載水密試驗(yàn),檢測(cè)防淹門泄漏情況,如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,此項(xiàng)目設(shè)計(jì)的防淹門在設(shè)計(jì)水頭壓力下,保壓30 min,漏水量小于0.25 m/min。蓄水槽加水后,進(jìn)行24 h密封試驗(yàn),在未考慮水體自然蒸發(fā)的情況下,24 h水位下降不超過10 mm,泄漏量小于0.011 m3/h。因此,所設(shè)計(jì)的地鐵防淹門密封性能良好,可以有效避免地鐵水淹風(fēng)險(xiǎn)。
圖9 防淹門密封試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
(1)設(shè)計(jì)了地鐵出入口垂直式防淹門,該防淹門主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。防淹門機(jī)械系統(tǒng)由閘門、液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備、鎖定裝置及密封系統(tǒng)構(gòu)成,控制系統(tǒng)由水位監(jiān)視系統(tǒng)、主控制箱、控制手柄、觸摸屏、PLC以及傳感器等元件組成。
(2)對(duì)地鐵防淹門模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析,分析結(jié)果表明防淹門在靜態(tài)水壓工況和動(dòng)態(tài)水壓工況下的結(jié)構(gòu)最大靜強(qiáng)度利用系數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值,強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)需求。
(3)試驗(yàn)驗(yàn)證地鐵出入口防淹門的機(jī)械性能可靠,密封性能優(yōu)良,符合設(shè)計(jì)要求,可以有效避免地鐵水淹風(fēng)險(xiǎn)。